TRANSMISSAO EM CORRENTE CONTlNUA COM TENSOES ACIMA DE 600 k::AVALIAQAO DOS REQUISITOS DO SISTEMA CC E DAS ESTA~5ES CONVERSOR~S

E ANALISE ECONOMICA GLOBAL

DC transmission voltage levels above 600 kV are viewed asattractive for long distance transmission of large blocks ofpower from remote generating plants to load centers. Therefore,resea~ch in this field has been developed up to now but a lack ofinformation is recognized concerning the DC converter staticnequipment.

To overcome this an investigation program was initiated tostudy the critical problems in developing HVDC converter statio=sfor voltages in the range from 600 kV to 1200 kV. This projectconsisted of engineering studies aiming at evaluating the maincharacteristics of the converter station, the DC transmissicneconomics and the identification of research and developmertneeds on converter station equipment.

This paper presents the results of the studies carried outfor determining the relevant characteristics of the converterstation major equipment the estimation of the converter staticndimensions and the DC transmission economic evaluation. Theseresults constitute the comprehensive engineering studies carout during the course of the project.

TRANSMISSAO EM CORRENTE CONT1NDA COM TENSOES ACIMAAVALIA~AO DOS REQUISITOS DO SISTEMA CC E DAS ESTA~OES

E ANALISE ECONOMICA GLOBAL

DE 600 kV:COl''".-ERS O::'_.:\S

par1 2 3

J.A.JARDINI, LINEU B.REIS, J.G.CAMPOS BARROS, e4

SERGIO O.FRONIIN

RESUMO -- A transmissao em corrente continua com tcn~soes acima de 600 kV tem sido visualizada como atraente para a transporte de grandes blocos de energia alonga distancia. Devido a isto, diversas pesquisas foram desenvolvidas neste campo, mas e mister reconhecera falta de uma analise mais aprofYndada quanto ao equipamento da esta~ao conversora. Para suprir esta falhase implementou urn programa de pesquisa visando determinar os pontos criticos relacionados com 0 desenvolvi=menta de esta~oes conversoras na faixa de 600 a 1200kV. Este projeto consistiu de estudos de engenhariapara valiar as caracteristicas principais das esta~;esconversoras e a economia da transmissao CC e da identifica~ao das necessidades de pesquisa e desenvolviment;dos equipamentos envolvidos. Este trabalho apresentaas resultados dos estudos de engenharia, desenvolvidospara determinar as caracteristicas relevantes dos equipamentos principais das esta~oes conversoras, esti=aras dimensoes das mesmas e avaliar a economia da trans-missao CC. E importante salientar que este trabalho etradu~ao ligeiramente compactada daquele apresentadopelos mesmos autores na "International Conference onDC Power Transmission" em junho de 1984 CRefs.l e 2) ,que, por sua vez, tem como base relatorio desenvolvidopara 0 EPRI no projeto RP 2115-4 "Study of CriticalProblems in Developing HVDC Converter Stations forVoltages above ± 600 kV".

o programa de pesquisa foi patrocinado pelo "Electric Po ••erResearch Institute" (EPRI) e 0 Centro de Pesquisas de Energia Eletrica (CEPEL) e a axecu~ao do projeto foi atribuida a duas Com;a=n h ias: THE MA G En g enh aria L td a . eo" Ins tit ute d eRe cher ch e d"'H Y dr0

Quebec" (IREQ). A THEMAG com assistencia de equ-ipes tecnicas daELETROBRAS e de FURNAS, ficou responsavel pelos estudos de e~genharia, sendo que a identifica~ao de necessidades de pesq:lisa edesenvolvimento para equipamentos das esta~oes conversoras fei a-tribuida ao IREQ.

Para cumprir os objetivos do projeto, fcram desenvolvidas asseguintes atividades: a) Estudos de Engenhar~a para avaliar as caracteristicas principais e preparar mini-espccifica~oes para osprincipais equipamentos da esta~ao Conversorc. Estas mini-especi-fica~oes foram usadas para obten~ao das esti=ativas dos fabrican-tes quanto as dimensoes, pesos e custos; b) Identifica~ao do estado atual da arte, objetivando a determina~ao de eventuais proble~mas e a prepara~ao de questionarios para fabricantes e concessio-narias envolvidas com aplica~oes de CCAT; c) Reunioes com especialistas dos fabricantes e Consultores Industr~ais (Industrial Advisors) do EPRI e do CEPEL para analisar as respostas aos question~rios e as mini-especifica~oes; d) ~isitas paIS discussoes com osespecialistas dos fabricantes com base um um segundo questionariodesenvolvido a partir das respostas ao primei::-o; e) Estimativa dasdimensoes das esta~oes conversoras e avalia~ao economica da tran~missao CC; f) Identifica~ao das necessidades de pesquisa e desen-volvimento.

Os estudos de engenharia foram desenvolvidos em duas etap?s~a primeira compreendendo a avalia~ao das cara2teristicas dos principais equipamentos das esta~oes conversoras e prepara~ao das mi=-ni-especifica~oes e a segunda, a estimativa das dimensoes da esta~ao conversora e a analise economica global.

Os seguintes itens foram considerados para os principais'e-quipamentos das esta~oes conversoras: caracte::-isticas dos trans-formadores conversores e necessidades de reativos; solicita~oesaos para-raios e coordena~ao de isolamento; a7alia~ao dos filtrosCC, requisitos do disjuntor de "by-pass".

As principais dimensoes das esta~oes con7ersoras para ten-so e sat e 1 200 kV e in c 1u in doe qui p am en t0 s des de 0 _ tr aIi sform ado rconversor ate 0 filtro CC foram estimadas considerando-se extrapola~ao da tecnologia atual. Este procedimento foi considerado co~sistente com 0 obejtivo da analise que era da::-uma ideia aproximada de tamanhos e necessidades de terreno. -

A analise economica da transmissao CC visou a determina~aodas tensoes de opera~ao economicas para esque=as CC bipolares considerando a potencia transmitida, a configura~ao da linha detransmissao e as perdas. As avalia~oes consi=eraram custos . domercado brasileiro e uma analise de sensibilicade foi efetuada.

As variaaveis basicas consideradas foram correntes CC na faixa de 2,5 a 3,5 kA, tensao CC na faixa ± 600 kV a ± 1200 kV,e portanto, potencia de 3000 a 8400 MW. As princi~ais configura~oesdas conversoras foram definidas considerando =e 2 a 4 uriidadesconversoras de 12 pulsos por polo e 600 kV co=o a maior tensao para uma unidade conversora. As distincias de transmissao conside=-radas variaram na faixa de 500 a 2500 km.

C~RACTERlsTICAS DOS TRANSFORMADORES CONVERSORES E NECESSIDADES DEREATIVOS

Esta analise visou determinar as principais caracteristicas e osrequisitos de reativos para os arranjos de COL7ersoras considera-dos nO estudo. Estimativas das correntes de cu::-to circuito nas

valvulas foram efetuadas. As faixas tipicas consideradas para osparametros usados nos calculos foram os seguintes:

Tensao CA fase-fase no lado da linha do transforEadorVe = (0,95 a 1,05)_500 kV: Tensoes nominais de 230 kV705 kV foram tambem conslderadas.

Tolerancia de projeto da reatancia do transformacor :Lidxldx = ± 7%

Resitencia es~ecifica da 1inha : RLIL = 0,0063 Q!km a 2SoCe 0.0073 n/km a 650C (Linha COm 6 sUbcondutores 1500 ML~)

A corrente de curto circuito atraves das valvulas roi es~~mada de modo bastante conservativo, atraves da equa~ao:

IdNdx

Esta corrente se ref ere a defeito atraves de uma valvula :u-rante sua comuta~ao para outra, resultando em defeito £ase-f~seno secundario do transformador conversor, para a = 0 e sistem~ CAconsiderado como barra infinita. Uma faixa de 25 kA a 50 kA foideterminada em fun~ao das faixas assumidas para a correLte e a reatancia do transformador. Na realidade, esta corrente sera me~orface a impedancia do sistem~,perdas e _angulos de dispa=o dife=entes de zero.

A figura 1 apresenta as potencias nominais trifasicas e =ela~oes de espiras para transformadores conversores de ponte de seispulsos, para os diversos arranjos de conversoras e valores mec:osde a (15°) e dxN (9%).

o calcu10 da posi~ao inferior do comutador de "tap" sob car-ga (LTC), para transformador do retificador considerou as seg~:n-tes condi~oes, que resu1tam em lIlaxima tensao de comutac;ao:

Tensao CC no maximo valor em urn nivel que causarla atua:aodo comutador de tap (passo de 1,25%)

- aa

em seu menor valor dentro da faixa n~rIDal deaN - 2,50

I 2CONV/POLO

I IlJd = I 2JOI

t(l=v~/'C.:, Ii I

II

Ud = 600of= V.!/254

4CONV/POLO

Ud=12CO I I-e=Vl/12? I

Ud=IOOO Ie=Vl/106 ;

I

VALORES ASSUMIDOS:.,(N =150 IdltN= 9% I

II

1500 2000 2500 40CO 4500P{ MW/POLO)

Figura I - Potencia nominal trifasica e relac;aode espiras de ~ransformadores conversores de pontes de 6 pulsos em fun~~ao da potencia CC do polo

Estas condi~oes e a minima tensao CA no lado linha do transformador foram usadas para determinar a posi~ao de minimo tap doLTC. Este valor foi determinado como - 6.8% para IdN = 3,0 ~A evalores medios de a e dx.

A posi~ao de maximo tap para transformador do retificadorpor outro lado, foi determinada usanda-se a ~axima tensao C~ e amInima tensao de comuta~ao, que corresponde a:

° valor da posi~ao de maximo tap foi determinado como + 167-para IdN = 3,0 kA e a e dx medios.

Se for requerida opera~ao a tensao reduzi~a, a :ondi;ao paracalculo da maxima posi~ao tem que incluir as s2gui~~~s mciifica -~oes:

Tensao CCnominal)

Nestas condi~oes, a pos-igao lIlaxima cresce para :;'0% s<=0 maiora permitido for 300 e para 20 se 0 maior a pe=mitic~ for 400•

A rela~ao entre a potencia reativa requerida e a pot~ncia a-tiva dos conversores na esta~ao retificadora tambe= =oi estimadae resultou em faixa de 0,48 a 0,62, valores us~ais.

As seguintes conclusoes e aspectos releva~tes ~3dem 5er apo~tados dos resultados da analise:

Para objetivos praticos, 30 kA foi usad3 coe: pico da cor-rente de curto circuito nas mini-especi=ica~~es.

Para LTC com passo de 1,25%, uma faixa de -6 a + 25 pass~s(-7,5% a +32,5%) e necessaria, se for requerida Jpera~aoa tensao CC reduzida. Se nao;uma faixa de -6 a +15 passos(-7,5% a 18,85%) e suficiente. Estes valores inclucm asfaixas de a e dx.

As potencias nominais muito altas dos transf:rmadc=es, as-sociadas principalmente com as tensoes ~ais altas apresen-tam dificuldades potenciais quanto a peso, d~ensc~s domaior item e refrigera~ao.

- Para estes valores mais altos pode ser visua~izado 0de transformadores monofasicos com dois enro~amentJS.

SOLICITA90ES AO PARA-RAIOS E COORDENAyAO DE 150LAME~TO

Os estudos visaram determinar as solicitacoes ~e ene=gia ecorrente nos para-raios de valvulas e de unida1es c=~verSJras, assim como efetuar a coordena~ao do isolamento para e3ta~oe5 conversoras de 800 kV e 1200 kV.

Outros tipos de para-raios, usuais nos esquemas CC, ~aoram considerados pelas seguintes razoes:

Embora as tensoes e comprimentos de li=~a se:am e12vados ,os para-raios de linha CC terao valores nomi~ais proporcionalmente maiores e as solicita~oes de energia nao ievem mudar substancialmente.

As solicita~oes aos para-raios dos reatJres io fil~ro CC epara-raios de neutro deverao ser significativamen=e maio-res com a eleva~ao da tensao nominal e compri~ento de li-nha. No entanto, para-raios multi~colu~as de7~rao 5er uti-

lizados e nenhum problema tecnico ou de "lay-out" e esper~do.

A analise considerou apenas para-raiDS de oxido de zincose baseou em simula~oes no programa EMTP.

Os principais criterios e arranjos consi:erados sao apresen-tados a seguir:

As analises abordaram os arranjos considcrados mais represe~tativos, apresentados na tabela 1. A avalia~~o de arranjos intermediarios pode ser efetuada por simples inter?ola~ao.

Numero de Uni Tensao da I Tensao doArranjo dades Conver- Unidade I Sistema CCras de 12 pu 1:. Conversora

sos (kV) (kV)

1 4 300 12002 3 400 12003 2 600 12004 2 400 800

Figura 2 - Esquema Protetivo de Pon=e Superiorde 12 pulsos

I !P. RAIOS DE BARRA CCT~ A LTERNATJVO (ESQUEMA 3)

I LCONSJDERA TA E BA2)

)1

1

( PONTE SUPERIOR

II

Ii

J

PONTE ~INFERIOR t

II

: SA

t_t11~P.RAJOS DE UNIDADE DE12 PULSOS (ESQUEMA 2 )

Esquema 1 - considerando a prote~ao com para-raios de pontede 6 pulsos

Esquema 2 - considerando a prote~ao com para-raios de pontede 12 pulsos (unidade conversora)

Esquema 3 - considerando a possibilidade de se retirar 0 p~ra-raios de ponte de 6 pulsos superior (BAl) noesquema 1, e protegendo a barra DC com 0 para-raios TA.

As condi~oes mais criticas para os para-raios das unidadesconversoras sao para defeitos nos pontos 1 e 2 da figura 2. Nes-tas condi~oes os para-raios conduzem a descarga dos filtros CC elinha de transmissao. Esta solicita~ao e bem mais elevada se aslinhas e filtro estao carregados com uma sobretensao quando 0 de-feito ocorre.

Com rela~ao "aos para-raiDS de valvula da ponte superior detres pulsos a condi~ao mais critica e de defeito para a terra nafase CA do transformador, como 0 ponto x da figura 2. Neste casoo para-raios de valvula da fase C e solicitado pela tensao do sistema. as para-raios das fases a e b sao solicitados pela difere;~a entre a tensao do sistema e as tensoes fase-fase Vac, Vbc. Aenergia descarregada pela linha e filtros cc divide-se desigual -mente pelos 3 para-raios dependendo do instante de ocorrencia dodefeito na onda de tensao.

Para os demais para-raios existentes, alem dos casos de de-feito para a terra, a falha de igni~ao em uma valvula e uma outracondi~ao critica, assim como 0 defeito em uma fase AC do transformador YD.

As solicita~oes aos para-raiDS foram comparadas consideran-do defeitos nos seguintes pontos da figura 2:

A tabela 2 apresenta os para-raios que conduzem a correntede descarga para os defeitos considerados (Nota: valor nominal deBAI = 1/2 valor nominal de BA e VA)

Note-se que os defeitos para a terra na unidade conversorade 12 pulsos foram considerados na analise por envolverem as malOres solicita~oes de energia.

Condu~ao dos para-raios para os va-.rios defeitos

Falta Para-raios conduzindonoPonto Esquema 1 Esquema 2 Esquema 3

1 BAI VAl,VA2 VAl,VA22 BAl,BA2 BA VA 1 ,VA 2,VA3

Fase YY VAl VAl VAlFase YD VA3,BAI VAl, VA2, VA3 VAl, VA2, VA3

Criterios de coordena~ao de isolamento

As seguintes hipoteses foram utilizadas para se obter os nive~s de isolamento:

o nivel de prote~ao a manobra corresponde a uma tensao desenvolvida para corrente de 1 kA por coluna. A experiencIa previa indica que estes para-raios devem absorver altaenergia, sendo necessaria para-raios multi-colunas, resultando corrente inferior a 1 kA por coluna.

- 0 nivel basico de isolamento a manobra (BSL) foi obtido atraves de ap1ica~ao de margem de seguran~a ao nivel deprote~ao do para-raios. Para as valvu1as, a margem mini-ma considerada foi de 15% e para os demais equipamentos 0padrao IEC recomenda pel0 menos 20%.

~~

~~

o nive1 de prote~ao a impulso atmosferico corresponde auma tensao desenvolvida para uma corrente de 10 kA por coluna. Esta hipotese foi baseada em experiencia anterior ~devido a existencia de pe10 menos duas colunas nos para-raios de linha ou de unidades conversoras. Lembra-se queuma analise mais detalhada pode conduzir a correntes decoordena~ao menores do que 10 kA por coluna e consequentemente a niveis de isolamento inferiores. -

o nivel basieo de isolamento a impulso atmosferico (BIL)das valvulas e obtido com uma margem minima de 15% acres-centada ao nivel de prote~ao dos para-raios. Para os ou-tros equipamentos 0 padrao IEC recomenda uma margem supe-rior a 25%.

Solieita~oes aos para-raios

As solicita~oes aos para-raios para Os arranjos dekV, 3 x 400 kV e 2 x 600 kV foram avaliados considerandomas de prote~ao 1 e 2, tentando eomparar os diferentesdas esta~oes conversoras. Uma analise de sensibilidadenominal foi efetuada para um arranjo de 2 x 400 kV:

4 x 300os esqu~proj e t~ s

na tensao

Solicita~oes aos para-raios de unidades conversoras

Os principais resultados de solicita~oes de energiarente obtidos para os para-raios das unidades conversoraspresentados na figura 3 . Estes resultados corresponcem a~ao de uma sobretensao pre-existente de 1.6 p.u. ao longonha e fi1tros quando ocorre 0 curto-circuito.

e cor-sac a-

condida Ii=-

Energia e Corrente em fun~ao datensao do para-raios

<t-'"(/l0<t 5a:a.:0zWt-ZWa:a:0u

S:::!:

(/l0<

~ a:a.:0z<t~a:wzw

a200 400TENSAO v NO

I

I600 800 1000

P. RAIOS DURANTE A DESCARGA

Efetuou-se uma analise de sensibilidade para 0 arranjo 4 x300 kV, esquema 2, com sobretensoes na 1inha de 1,6 p.u., ontendo-se as seguintes informa~oes:

Reduzindo-se a capacitancia do fi1tro CC de 5 ~F para 1~F ocorre redu~ao de 17% na energia absorvida e de ~O% novalor maximo de corrente

Aumentando-se 0 reator de alisamento de 0,4 H para ),6 Ha energia praticamente nao se a1tera e 0 valor maxi~o dacorrente reduz-se em 12%.

Diminuindo-se 0 comprimento da 1inha de 2500 ~m para 1500km a energia absorvida sofre redu~ao de 25% e 0 val~r depico da corrente praticamente nao se a1tera.

- Considerando-se 0 arranjo 2 ~ 400 kV (tensao ~ominal de800 kV) e parametros correspondentes, obteve-se uma ener-gia de 21,84 MJ com urn valor maximo de corrente de 2,52kA.Verifica-se que uma redu~ao na tensao pre-existente na Iinha de 1,6 p.u. para 1,0 p.u. diminui a energia abssrvida

Com rela~ao a figura 3, uma analise tecnica foi efetuadaprocurando interpretar os re~ultado~. Considerou-se a linha repr~sentada par se<;oes "PI" e capacitancias do filtro DC conectadasnos terminais, estando a linha e filtro carregados com a tensaopre-existente Vo. 0 para-raio~ de oxido de zinco, devido a sua caracteristica plana e considerado como mantendo uma tensao consta~te V durante todo 0 periodo de descarga. Apli~ando-se a transformada de Laplace e reduzindo-se as equa<;oes a uma forma polinomiaTcom posterior anti-transforma<;ao para a dominio do tempo, tem-sea seguinte expressao para a energia absorvida ET

ET = V (Vo-V)k

Esta equa<;ao mostra que a energia absorvida em fun<;ao datensao do para-raios (V) tem a forma de uma parabola com concavi-dade voltada para baixo e maximo em Vo/2. A figura 3 construidaa partir de ponto~ obtidos da simula<;ao digital confirma este re-sultado.

Para-raios de valvula

No estudo das solicita<;oes aos para-raios de valvula foramaplicados defeitos nas fases CA do transformador nas conexoes YYe YD da unidade conversora superior de 12 pulsos.

'Conforme mencionado anteriormente, os casos criticos de so-licita<;oes ocorrem nos para-raios da ponte de 6 pulsos Ruperior(VAl), para curto na fase CA do transformador. A solicita<;ao deenergia depende do ponto de ocorrencia do defeito na onda de ten-sao e a figura 4 apresenta resultados para a arranjo 4 x 300 kV comlinha e filtros na tensao nominal.

A tabela 3 mostra as resultados para os outros arranJos es-tudados com tensao DC de 1200 kV.

Tabela 3 - Solicita<;oes de energia e corrente nosarranjos estudados (para-raios VAl)

Arranjo 1209 1509 1809dos IMAXEN EN IMAX EN IMAXconversores

(MJ) (kA) (MJ) (kA) (MJ) (kA)

4 x 300 kV 7.85 4.28 8.29 4. 13 7 .19 3.833 x 400 kV 9.13 3.53 10.29 3.29 9.57 4.122 x 600 kV 13.10 3.12 14.65 3.63 14.15 3.87

Figura 4 - Energia no para-raios de valvula(VAl) em fun~ao do instante deaplica~ao cia falta na fase C

...,::E(fl0~ 5a::a.:0z<t(!ia::wzw

900 1500 2100 2700

ANGULO (INSTANTE DE APLICAClo DA FALTA)

sensibilidade para 0 arran:oEfetuou-se uma analise de300 kV obtendo-se:

- Reduzindo-se a capacitancia do filtro DC (de 5.].lF].IF)oeorre uma diminui~ao de 25% na energia e 40%rente maxima.

- Aumentando-se 0 reator de alisamento de 0,4H para ),6 H aenergia praticamente nao se altera.

reduzindo-se 0 eomprimento de linha de 2500 ~m par~ 1500km a energia diminue em 20% e 0 valor maximo da c~rrentee de 2,46 kA.

Com rela~ao aos outros para-raios de valvula, 7A2 e 7A3, e-fetuou-se uma investiga~ao no arranjo 4 ~ 300 kV eon5idera~do de-feitos adieionais para a terra, obtendo-se os resultados ?rinci-pais:

Defeito no ponto l:Neste easo os para-raios 7Al ~u VA2nos esquemas 2 e 3 sac solieitados com 5,8 ~J, ec~ ten-sac nominal na linha. Com sobretensao de 1,6 p.u. ~sta energia eleva-se para 11 MJ.

Defeito no ponto 2:Para este defeito, 0 easo de ic~eresserefere-se ao esquema 3. Com tensao nominal na 1inha a e-nergia nos para-raios VAl ou VA2 e de 4,1 MJ e de ~ MJ nopara-raios BA2. Com sobretensao de 1,6 p.u. estas ~nergi-as elevam-se para 8,8 e 15,6 MJ, respeetivaEente.

Defeito na fase YD: para defeito na fase AC do tra~sformador com eonexao YD, obteve-se as resultados da tas=la 4.

Tabela 4 - Solicita~;es de energia devidas aodefeito fase-terra da Ease CA dotransformador com conexao YD na po~te superior

Energia no Para-raiosPara-raios

E squema 1 Esquema 2 Esquema 3

VAl - 4. 71 4.71VA2 - 5.27 5.27VA3 6.12 5.32 5.32BAl 9.00 - -

A tabela 5 apresenta um resumo dos resultados de solicita -~oes de energia para os 3 esquemas de prote9ao considerados, comarranjo 4 x 300 kV.

Tabela 5 - Resumo das solicita9oes deaos para-raios para os tresmas protetivos e arranjo desores 4 x 300 kV*

energiaesque -conver-

Para- Energias (MJ) para falta a terra em -Esquema raias Fase CA Fase CAYY YD Ponto 1 Ponto 2

VAl 8.3 - I - -IVA2 - - - -1 VA3 - 6.12 - -

BAI - 9 (22.9)12 (18) 9BA2 - - - (18) 9

VAl 8.3 4.71 1<-11)5.8 -VA2 - 5.27 I( 11) 5 .8 -2 VA3 - 5.32

I- -

BA1 - - - (35.9)18

VAl 8.3 4.71 (11)5.8 (8.8)4.1VA2 - 5.27 (11)5.8 (8.8)4.13 VA3 - 5.32 - -BA2 - - - (15.6)7.0

* A 1inha e fi1tro DC estao caE tensaoexceto va10res, entre parenteses comde1,6 pu.

nominal,tensao

-Uma compara~ao entre as ener~ias absorvidas nos esquemas analisados (soma das maximas energias absorvidas pelos para-raios)e apresentada na tabela 6.

Tabela 6 - Capacidade total de absor~ao de ener-gia dos esquemas de prote~ao para aunidade conversora superior de 12 pulsos, nos varios defeitos considerados*

Falta considera- Esquemas Energia (MJ)da no Ponto

1, 2, YY, YD 1 72Para todos os es- 2 77quemas 3 77

2 , YY, YD 1 68Para todos as es- 2 78quemas 3 76

1, 2, YY, YD para 1 72esquema 1 e 2 782, YY, YD para 3 76esquemas 2 e 3

* Arranjo 4 x 300 kV e 1inha e fi1tro DCtensao nominal

Estes resultados mostram que as 3 esquemas ternde energia semelhantes.

A coordena~ao do isolamento foi efetuada para 0 siste=a comtensao de 1200 kV composto de pontes de 12 pulsos 4 x 300 k7 ecom tensao de 800 kV com pontes 2 x 400 kV. As outras alte~nati-vas sao obtidas par urn processo semelhante, levando-se em contaque os niveis de prote~ao e va10res nominais dos para-raios saoalterados na mesma propor~ao da tensao operativa continuame=te a-plicada.

o nivel de prote~ao em urn certo ponto do circuito CC e obtico pe-la soma dos niveis dos para-raios conectados em serie da te~ra a-te 0 ponto considerado.

PL = pPBA + qPVA

PL nivel de prote~ao :10 ponto considerado

p numero de para-raios de ponte no caminho

PBA nivel de prote~ao de urn para-raios de ponte

q numero de para-raios de valvula no caminho

PVA nivel de prote~ao ';e urn para-raios de valvula

NIveis de prote~ao dos para-raios--Osprote~ao dos para-raios foram utilizados:

Manobra ImpulsoPara-raios de ponte de 6 pu 1so s (PBA) 275 333

12 pulsos(2PBA) 550 666

Para-raios de valvula (PVA) 296 358

Para-raios da beira de neu tro (PN) 110 133

Coordena9ao do isolamento do arranjo 4 x 300 kV--O nivel deprote~ao em qualquer ponto e obtido com a equa~ao 3 e. procurandoexemplificar a sua aplica~ao a tabela 7 apresenta nIveis de prot~~ao em pontos de interesse do circuito.

Com rela~ao ao esquema 2 deve ser mencionado que normalmen-te e suposto que as solicita~oes decisivas aos equipamentos temorigem na linha DC, e desse modo os conversores estao conduzindoa corrente. Com base nisto e supondo que pelo menos uma das tresvalvulas V2, V3, V4 esta conduzindo, havera dais para-raios davalvula no caminho ate 0 transformador superior. Supondo que umasobretnsao atinja 0 conversor e todas as valvulas estejam bloqueadas existirao tres para-raios no caminho ate a transformador sup;rior e Os niveis de isolamento serao consideravelmente maiores noesquema 2 do que no esquema 1. Contudo esta situa~ao"e rara e pa-ra a eoordenacao do isolamento do transformador sao consideradosdais para-rai~s de valvula em serie com as demais para-raios deprote~ao no esquema 2 .

•Tabela 7 - Exemplos de Niveis de Prote~ao em Pontos

do Circuito CC

Ponto Protegido Esquema 1 ou 3 Esquema 2

Barras CC1200 kV 8 PBA 4(2PBA)

900 kV 6 PBA 3(2PBA)Fase CA dos Transforma-dores

YY conversor Cl 7 PBA + lPVA 3(2PBA)+2PVAYD COnversor Cl 6 PBA + lPVA 3(2PBA)+lPVAYY conversor c4 1 PBA + lPVA 1 PN + 2PVAYD conversor c4 1 PN + lPVA 1 PN + lPVA I

Observa-se que os niveis de prote~ao dos para-raios de val-vula e de ponte sao semelhantes e desse modo os niveis de prote-~ao nos varios esquemas sao proximos.

Os niveis de isolamento obtidos sac mostrados da~~~~ ~ es~~e~a 1.

Tabela 8 - Niveis de Isolamento com Esquema de Pro-te<;ao 1

Ponto Protegido Para-raios SIPL* BSL** LIPL* BIL**Envolvido (kV) (kV) . (kV) (kV)

Lado da Valvula, ***reator CC, 8PBA 2200 2700 2666 3350linha CC,patio CC (23) (26)

Barra de Neutro PN 110 150 133 380(36)

Atraves da Val- PVA 296 340 359 413vula de Tiristo- 05 ) (15)res

Fases CA do ladeda Valvula: ***YY conversor Cl 7PBA +PVA 2221 2700 2692 3350

(12 p.sup.) (22) (24)YD conversor Cl 6PBA +PVA 1946 2400 2359 2900

(23) (23)YY conversor C2 5PBA +PVA 1671 2100 2025 2550

(26) .(26)YD conversor C2 4PBA +PVA 1396 1675 1692 2100

(20) (24)YY conversor C3 3PBA +PVA 1121 1425 1359 1675

(27) (23)YD conversor C3 2PBA +PVA 846 1050 1025 1300

(24) (27)YY conversor C4 PBA +PVA 571 750 692 850

(12 p.inf.) (31) (23)YD conversor c4 PN + PVA 406 "650 492 650

, (35 ) (32)

Valores entre parenteses referem-semar gem em %

* SIPL, LIPL: niveis de prote<;ao a mano-bra e impulso.

** BSL, BIL niveis basicos de isolamen-to a manobra e impulso.

*** Se somente 15% de margem for utilizadoeste valor e reduzido a 2550 kV.

Coordena~ao do isolamento com arranjo 2 x 400 kY--Os niveis decoordena<;ao do isolamento nos pontos considerados para 0 sistema800 kV com pontes 2 x 400 kY sac apresentados na Tabela 9.

Tahe1a 9 - Niveis de Iso1amento para 0 Sistema 800 kVCOm Arranjo 2 x 400 kV

Ponto Protegido Para-Raios SIPL'!3SL** LIPL* BIL**Envo1vido (kV) (kV) (kV) (kV)

Lado da Varvu1a,rea tor CC, 4PBA 1468 1800 1779 2250linha CC, (23 ) (26)patio CC

Barra de Neutro PN 110 150 133 380(36)

Atraves da Valvu- 395 I 479 550la de Tiristores PVA I 454(15 ) (15)

Fases CA do ladoda Valvula:yy conversor Cl 3PBA +PVA 1496 1800 1813 2250

(20) (24)YD conversor Cl 2PBA +PVA 1129 ,1425 1368 1800

\(26) (32)

AVALIAgAO DO FILTRO DE CORRENT~ CONTINUA

o objetivo principal desta avalia~ao foi verificar possi-veis dificuldades de projeto associadas ao ~ivel de tensao do sistema. Visando limitar a conjunto de alterna:ivas para 0 projetoforam estabelecidas certas hipoteses, que tambem procuraram res-guardar a analise de situa~oes atipicas nao relacionadas com 0 nivel de tensao, como a ocorrencia de ressona~cias.

Em complementa~ao ao escudo, foi elab~rada uma analise desensibilidade atraves da varia~ao dos valor~s dos principais par~metros envolvidos nos calculos.

Hipoteses simplificadoras

- Nao foram consideradas na analise c~nfigura~oes do siste-ma CC que apresentassem ressonancia3 nas frequencias estudadas.

- Utilizou-se como criterio de projet~ uma tensao longitudinal de 50 mve, induzida em fio de p=ova de 1 kID de comprimento e afastado 1 km da LT de corr~nte continua.

Para que se pudesse limitar 0 numero de casos a serem inves-tigados na defini~ao dos conjuntos de tensoes harmonicas u=iliza-dos, bem como as caracteristicas dos sistemas de car=ente :ontinua, tornou-se necessaria a fixa~aa de alguns parametr0s, ab~ixa relacianados.

a17 (ambas a5 polo;)

Lint = 3,5 x n x

onde:n9 de ?ontes de 12pulsosinduta=cia de transformad:r con,ersor

A partir dos parametros basicos foram avaliados conju=tos detensoes harmonicas gerados no retificador e inversor e tensoes induzidas em fios de prova localizados no inicio, meio e fim da li-nha de transmissao ce. A partir dos resultados obtidcs no sistemasem filtro, escolheu-se como configura~ao basica urn =iltra sinto-nizado na l2a. harmonica e UID filtro passa alta. Os ?arametros dosfiltros foram escolhidas procurando minimizar 0 tota: de capaci-tancia a ser utilizado.

Obtidos as casos base para as tensoes de 600, 8CO e l:JO kV,seguiu-se a analise de sensibilidade resumida na Tabela 10.

A figura 5 apresenta a varia~ao da interferenci~ com a tensao para 0 sistema sem filtro. A figura 6 apresenta _ total de capacitancia necessario para atendimento do criteria.

Pelos resultados alcan~ados, pode-se concluir qu~ nao exis-tern problemas associados com 0 nivel de tensao quantc a de£:ni~aodos filtros de corrente continua. 0 valor total de :apac::ancia

Ruido Total Induzido (mVC/km)

Descri<;ao 600 kV 1200 kV,CasoInicio Meio Fim Inicio Meio Fim

1 Com fi1tro (Basepara compara<;ao 51~2 27 ,0 15,4 52,7 26;7 24,0dos casos 2-8)

2 Reator de a1isa- 81,.7 43,9 25,1 76,5 39,4 35~5mento 0,2 Henries

3 TransformadorConversor Reatan 67,6 38~2 18,8 87,6 42,9 30,1cia dx 12,5% -=

4 Com 1inha e1etro 34,7 26,1 14,5 38,9 26,7 23,4do -

5 Fi1tro desintoni 52,7 55,6- - - - -zado

6 Opera<;ao Monopo-1ar Retorno pe1a 74,3 46,5 211,1 81!0 46,6 186,6-Terra

7 Opera<;ao Monopo-1ar Retorno Meta 80,5 23,7 9,2 81,7 25!O 12,81ico -

8 Esquema de fi1-tragem com ape- 129,2 37,1 43,3 203,0 67,9 97,4nas uma passaa1ta

9 Sistema sem fi1-tro Desba1an<;o 81, 1 99,3 61,2 194,2 292,5 193,6de' a (lia=0,50)

dos fi1tros ficou dentro de padroes aceitaveis apresentando urn p~drao de crescimento suave com re1a<;ao a tensao.

-~)

--)

=;

Figura 5 - Crescimento do Auldo Totalcom a Tensao do Sistema

-l

~ 700or-_< ECl.>< 600N .=>u0>~ Eo~ 500l<(/)Z

~ 400

Ii

I800

Figura 6 - Total de Capacitancia/polo -Comprimento da Linha - 1500km

u..::1, 2.0

<uz<r-u 1.0~<u

beG 1000 1200

TENSAO 00 SISTEMA (kV)

o disjuntor de "by-pass" foi considerado como representati-vo do equipamento do patio de chaveamento CC para a avaliar.ao doimpacto de se aumentar as tensoes.

Apos analise considerando a dimensionamento do disju=tor decontorno, que incluiu opera~oes nao intencionais devidas a fa-lhas de controle, foi concluindo que nao ha problemas especiais ase esperar com rela~ao a equipamento de manobra para esta~ces conversoras operando em tensoes de ate±1200 kV. -

.~

.",,-;

ESTIMATIVA DAS DIMENSOES DA ESTAgXO CONVERSORA

A disposi~ao fisica dos equipamentos e as dimensoes da esta-~ao conversora para tensoes de 600 kV a 1200 kV foram avaliada;com base em dimensoes de equipamentos fornecidas por apenas um fabricante,e informa~oes de projetos existentes. Foram consideradc~as equipamentos desde 0 transformador Conversor ate as filtros deCC.

Entradas de linhas CA, filtros de CA com seus "bays", equipamenta para compensa~ao reativa, torres de resfriamento e deposi =tos nao estao incluidos na estimativa.

A figura 7 apresenta a diagrama unifilar tomado como base para a avalia~ao. Considerou-se urn bipolo com 2 unidades converso =ras de 12 pulsos por polo e transformadores conversores com unidades monofasicas de tres enrolamentos.

Diagrama Unifilar de urn Polo naConversora

AOOUTRO

POLO

'I~' - -TRANSFORMAOORo.rp rn J..

II

~•.- ~ -l--BUCHAS

"'-1I'I--VALVULASI -1- - P.RADS DE VALVoI '4. V Il.(~~- - - ->--,. -BUCHAS1 - - P.RAlOS DA UNlD.

,~--, -.... CONV.~ ~--- "BY PASSI /~. ----....CHAVES

- -REATOR CC======J.--T .. uFILTRO CC

r-c-rlI

i~-JJ

As distancias de isolamento na casa das valvulas e no patioforam estimadas a partir dos niveis de isolamento para surtos demanobra, nos resultados da analise de coordena~ao de isolamento eem formulas empiricas para suportabilidade de "gaps" em ar.

l-,--1,-,J••

-~

)

•tJ

---,J

-c)

J-)

tancias para "gaps" ern ar, sac determinadas pe10 isolaE.o:nto a surtos de manobra. 0 "gap" em ar devera ter 0 meSilla "BSL" (BasicSwitching Level) dos equipamentos. Desta modo os va1ore5 deterrni-nados nos calcu10s de coordena~ao de iso1amento foram ~tilizadosna determina~ao das distancias.

k . 500 dO,6 2 < d < 5 m (3)

3400 5 < d <15 m (4)1 + 8/d

k(l400 + 55d) 13 < d <30 m (5)

BSL (l - 1,30) (6)

V50 e a tensao de rompimento do "gap" de ar

BSL e 0 nive1 basieo de iso1amento para sobretens~o de manabra

o e 0 desvio padrao (0 = 4 a 6%) do teste de im?u1so parasobretensao de manobra

~---,._~~

-~tFigura 8 - Distaneia do "gap" de ar

fun~ao do BSL

k: 1.0HASTE - PLANO

500a

A figura 8 apresenta os resultados obticos nos quais urntor dell gap If d e k = I ~0 (c 0 n£ i g u ra ~a 0 dot ip.p has t E:- pIa no)utilizado.

Observa-se que este criterio levou a Urn JirnensLonarnento mui-to conservativo. Nurn projeto real se justifica 0 d~senvolvimentode uma analise meticulosa com uso de informa~oes at~alizadas.

Distancias minimas entre partes vivas

No patio de CC e na casa de valvulas a distancia minima paraterra ~ usualmente 0 fator decisivo e,deste ~odo a distancia en-tre partes vivas relevantes para determina~ac das dimensoes.

Para 0 patio que abriga as transforrnadores con~ersores asdistancias minimas entre partes vivas das barras d05 transformadores sao proporcionais as tensoes CA entre fases. Assim, espa~amentos minimos usuais entre fases devem ser respeitad03. Entretanto,a distancia necessaria entre as buchas de conexao dos transforma-dares com as valvulas (Ilwall bushingsll) e nor::!almen:e superior aestas e prevalece na determina~ao das dimensoes do patio.

Dimensoes da casa de valvulas

Cada casa de valvula contem tres quadri-~alvulas, oitochas de conexao com as transformadores ('Iwall bushi::gsl1) echaves de aterramento.

bu-oito

Todas as conexoes eletricas no interior ~a casa de valvulassao efetuadas com barramento rigido. Os paineis de :ont~ole dasvalvulas estao localizadas no sub-solo abaixo de caca quadri-val-vula.

1200 kVALTURA 5Sm

IOOOkVALTURA 46m

800 kVALTURA 33m E

(j)

600 kVI"-

ALTURA 23 m Er<')l{)

E<T

E r<')<TC\I

kV ALTURA

60027 m

24 m20 m

18 m

30 .141

60

~III~II: 30 il1

As dimensoes lineares resultantes para a casa de valvu123 emfun~ao da tensao do sistema estao plotadas na figura 9.

Dimensoes do patio dos transformadores COnversores

No arranjo f{sico basico considerou-se a utiliza~ao de t=ansformadores monofasicos de tres enrolamentos.

Deve-se enfatizar que para tensoes de 1000 kV e acima a ~esodo transformador e suas dimensoes deverao superar as limites ~er-missiveis para transporte em muitos paises. Isto conduz a p=ovavel utiliza~ao de transformadores monofasicos com dois enro12~en~tos a nao ser que sejam desenvolvidos e estejam disponiveis p=ojetos especiais com novos sistemas de resfriamento e meios isol~n =tes. Neste caso, dois destes transformadores podem ser instal~dosjuntos e as dimensoes da esta~ao conversora seriam semelha~tesaquelas indicadas aqui.

o arranjo f{sico basico Gonsiderado para um polo daconversora e mostrado na figura 10.

Arranjo Fisico Basico do Patio d03TransfoTmadores Conversores paraum polo na sUbesta~ao de 600 kV

I

CA S A DE VALVo AUXIL. CONTROLEPOLO 1

CASA DE VALY.AT BT

r;" PO LO 1 PO LO 1

l/~ I L T .....I AO POLO

A B C N A B C A B C A B N Cf--- -

C - I Cf-

tJ. Y tJ. Y

~ '--.....- --IA IA

.l---

IT::=-:: -

B 8'--~- ~ ~

f1i'71 rn fIi?l f1i~L:f;~8

llj-~ -lA~~8

~te

,.1

,..~

-'.~

.I...,..Jl.y

-".."..:I..."

.3"7

i.._-J

~.. ~_.~

. .:>0.-~~~

~..~

~...3

.'"~

7~

~~

,~

1~~.,.3

.~~

-"":~7~

~,,~

~

=~

~~

.. '"'~..~

~

~--:i

~

-~

~

~

~

~

~

~

•

?a~a ~~tYas tensoes, 0 arr3njo fisico foi elaborado e a ava-:iaiio das dist~ncias efetuada a partir das distincias mInimases?eradas, das dimensoes dos trans"formadores e ias distincias entre as buchas de conexao entre t.ransformaclores e valvulas (" wallbushingsH) •

Dimensoes do ~atio de equipamentos de corrente 20ntInua

o arranjo fisico basico considerou 4 disju::.tores Hby pass" ,4 para-raios de pontes, 12 chaves seccionadoras, 2 chaves dos barramentos de neutro, 1 chave de aterramento, 2 reatores de alisa _mento, 0 filtro de corrente continua COm respec:ivas chaves seccionadoras, 2 entradas de po1os CC COm respectivas chaves secciona-doras e uma 1inha de entrada do e1etrodo de ter=a, Como mostradona figura 11.

Para avaliar a area necessaria ao filtro CC urn projeto exis-tente para tensao de ±600 kV foi uti1izado Como referencia •

As dimensoes foram extrapo1adas com base n~s tamanhos dosbancos de capacitores principais, Gonsiderando as distancias minimas para terra ref~rentes as diversas tensoes envolvidas.

Figura 11 - Arranjo Fisico do Patio deCorrente Continua

A'REA co FILTRO

CC

,AREA DO FILTRO

CC

V.H.: CASA DE: VALVUlAS; A.:AUXllIARESj CS.: CONTROLE

Dimensoes totais

o sumario das distancias gloliais dete=minacas pela aplica~aodas distancias minimas calculadas sobre os arraLjos fisicos e ca-sa de valvulas estao indicados na figura 12.

='}--=}

-~=l~i~}~i~,-c~

;

Figura 12 -Areas estimadasdos. bipolos paI ad it er en test ens a e 5 (valor e-Sem netros)

SOOk V (2)(400)

117 29 191

lDlDN

1000 kV(2x500)

130 39 280

pi)

ar<'l

600 kV (2)(300)

103 24 142

1200 kV (2 x600)

165 79enLI.. enenz en <l:<l: W

..J

ex: ex: ::> t..?..... a >en 'si u aen ex:a w ~ a ,...0 > w ..... pi)

z 0 "<t0 0

,i= <l: c-u en1i: S

AVALIAGAO ECONOMICA DO SISTEMA EM CORRENTE CONTINUA

A avalia~ao econornica, considerando custo de linhas, subest~~oes conversoras e perdas, foi efetuada para faixa de potcncia aser transrnitida de 3000 a 8400 MW e comprimento da LT de 500 a2500 km.

o eusto de 1inhas ee foi analisado eonsiderando tens;es op~-rativa de ±600 a ±1200 kV, 4 a 8 subcondutores por polo e sec~aodo subcondutor de 716 a 2515 kcmil. 0 custo das perdas foi tambernava 1 iad 0 nestas al te rna t ivas.

A analise do custo das subesta~oes conversoras se baseou nasrespostas as mini-espeeifica~oes e em dados referentes a outrosestudos reeentes realizados no Brasil.

Metodologia e avalia~ao dos custos

Metodologia--A analise economica incluiu custos de esta~oesconversoras, custos de linhas ce, custos de perdas corona nas 1i-nhas, custos de perdas joule nas 1inhas e subesta~oes e tambem osjuros durante a constru~ao do sistema.

A varia~ao do custo das esta~oes conversoras COw acom a potencia a transmistir, foi estimada a partir de~oes de fabricantes internacionais.

tensao einforrna-

-""..~-c.t~

~

~

~~

~~

~

~

~

~--)

=~

~

~'""l~

~

~""l~~

~,

son est a an a 1 ise, tor n and 0- se IIIa l s im po r t .a n te com a .a urnen t0

distancia de transmissao.

Para esta avalia~ao faram feitos pre-prajetos de linhas, de-terminada-se as distancias eletriGas, alturas da torre e n9 de i-saladares.

A partir desses pre-projetos, selecionou-se um para cada tensaa (600, 800, 1000 e 1200 kV) e, calculou-se 0 peso da torre edas funda~;es. A sensibilidade desses pesos Com 0 diametro do candutor, altura da torre e espa~amento polar fai tambem avaliada.

Todas estas informa~;es foram pracessadas e, por analise ieregressao, determinou-se uma equa~ao para cada nIvel de tensao ,dando 0 peso da torre e das funda~;es, em fun~ao do n9}diametrodos subcondutores, altura da torre e espa~amento polar.

As equa~;es acima, juntamente comcamponenXes de linhas, foram usadas nanha de transmissao.

informacoes de custos.c.egti~a~ao do custo de

dosli-

As perdas corona foram avaliadas para as mesmas<;oes de linhas •

Todos asses valores, juntamente com as perdas na linha e nosconversores, foram finalmente usados para avaliar 0 custo globalde sistemas CC e sugerir nIveis otimos de tensao.

Realizou-se tambem uma analise sensitiva que incluiu a investiga<;ao do importe sobre os resultados, de mudan~a nos· seguintesparametros basicos:

Deve-se ressaltar que todos os calculos foram baseadas 28custos brasileiros.

Custos de esta~oes canversoras--Durante estudos realizac~sno Brasil nos ultimos anos, obteve-se grande quantidade de infor-ma<;~es de fabricantes internacionais. Estas informa~;es foram f3rnecidas em resposta a questionarios e mini-especifica~oes, e re:~riam-se a tens~es entre 500 kV a 750 kV e potencia na faixa :;1200 a 3500 MW, no esquema "turn key" e com subdivisao de custo;.Estes custos nao incluem 0 patio CA e 0 equipamento de compens~ -~ao reativa controlavel. au seja, somente filtros CA e bancas :ecapacitores sac considerados como fontes de reativos na esta~ao edeterminados de modo a manter fator de potencia unitario na barraCA.

Novas informa<;~es agora para a faixa de tensao de 600 kV a1200 kV foram ohtidas durante 0 decorrer deste projeto EPRI/CEP~L,atraves de respostas de fabricantes a mini-especifica~oes indi~:-duais dos equipamentos.

.-~~

.~

~

~~

~.~

~.~

.~

~-J)

~-~

~.~

.~

~

~j)

~..~

~

~

~

~

~-.~

~

~-=9~

~=5,~

~

~-"l:l~

~..,~~

~

~ -

Vma analise feita corn as informa~oes disponiveis antes desteprojeto levou as seguintes principais ~oncl~soes:

- 0 custo dos transformadoTes mais val~alas ~ igual a 65% doeusto total da esta~ao conversera, itcluindo transformador,valvula, reator de alisamento, filtrc5 e capacitores AC eequipamento do patio DC.

- 0 custo de esta~ao conversora pode ser bem reproduzido pe-la formula:

(A + BV d ) 1 03 P~ , 5 7

C - da esta~ao (bipolar, incluie a custo conversera am-es bas terminais), VS$, refericlo junho/82a

Vd Pd- ~respectivamente.a tensao potenciae sao e

A e B sac censtantes

E de notar que esta equa~ao considera 0 sistema AC na ten-sac de 500 kV. Nenhuma considera~ao foi feita neste estudo relacionado corn a influencia da tensao do sistema AC corn 0 custo da es=ta~ao conversora.

Deve-se notar tamb~m que nesta estimativa nao foi incluido 0custo do terreno .

Das informa~oes recebidas a partir das ~ini-especifica~oes(emitidas durante 0 projeto EPRI/CEPEL) relaci~nando os custos indTviduais dos equipamentos cobrindo tensoes de 600 a 1200 kV, esti=mou-se 0 custo das esta~oes conversoras.

o custo das valvulas (2 unidades de 12 pulsos por polo)adicionado ao custo dos transformadores (2 enrolamentos urn?se) e entao dividido por 0,65 (de acordo co~ as conclupara se avaliar 0 custo total da conversao.

foi·fa-ima),

Finalmante foi feito urn ajuste de curVe da equa~ao (7) ,de modo a representar todas as informa~oes dispo~iveis, 0 qual resul=tou ern:

C cs

Neste projeto assumiu-se a possibilidac~ de transmissao deigual potencia ern ambos os sentidos e, desse modo, a potencia no-minal do retificado~ e inversor resultaram i;uais.

Custo de linhas de transmissao--O custo de linhas de trans-missao foi determinado de acordo com a ~eto2~logia descrita aci-ma, a qual envolveu a sele~ao de pre-projetc5 e calculos em computad 0 r. a s cu s t0 s del in Iia s a e tr an sm issa 0 r e 5u 1 tan te s sa 0 m 0 s tr a=dos na figu~a 13, em fun~ao aa configura~ao io cundle e para diferentes tensoes •

~

~

~

3--~

.~

~--~

~

~

~

~=5~

Figura 13 - Custos da Linha de Transmissao emFun<;ao da Gonfigura<;ao do "bundle"para tensoes diferentes

700

(xlOl

600

100600 1000 1400 1800 2200 2600600 1000 1400 1800 2200 2600- "SEC~AO DO SUB- CONDUTOR

( kemil)

A partir dos cUBtos estimados de linhas de transmissao (CTLmostrados na figura 13, obteve-se a seguinte equa~ao:

700(x103 )

600

SEC~AO 00 SUB - CONDUTOR

( k em i 1 )

CTL = 15080 + 84,3 Ud + (35,7 n - 38,3) Sc

CTL e 0 custo estimado do investimento em linhas de trans -mi s s a 0 ( US $ / km), re f ex i d 0 a j un h 0 / 8 2

Ud- - polo-terra (kV)e a tensao- de subcondutores polon e a numero par

S - - de aluminio do subcondutor (kcmi 1)e a sec~aoc

Custo das perdas corona--A& perdas corona em condi~oes, detempo bom foram avaliadas com base na equa~ao de Peek ~odificada(Ref.14) para as virias configura~oes Je linhas de transmissao.

As perdas corona (CL) assim calculadas foram multiplicadaspor um fator igual a 1,1, para incluir todas as condi~~es de tempo (este fator considera 97% de tempo Dom e 3% de tempo chuvoso ;as perdas sob chuva foram assumidas como sendo 4 vezes as perdascom tempo bom), resultando na seguinte expressao:

1,11Q,0526 Ud- 24.7 + (0,86 - O,79n)

+ l,42n - O,0027n udl

n, S como definido anteriormente.c

o valor presente das perdas capitalizado durante a vida utilde linha de transmissao foi obtido a partir de:

1 -(1 + O-N

Ec e 0 custo de energia (US$/kWh)

CL e a perda corona, conforme equa~ao (10)

E = 0,025 US$/kWhc

114Ud - 53513 +(1,87-1,71n)Sc + 3078,9n - 5,85nUd (12)

CCL e 0 Gusto das perdas corona CDS$}km) referido a junhoJ82

n, S como definido acimac

Custo das perdas Joule--Supos-se que a potencia transmitidapelo bipolo seja constante durante toda a ~ida util do sistemaNa realidade isto nao e normalmente verdade por causa da constru-

~

~.~

-~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~.~

-~ao pox etapas da usina e d6 ststema CC. Com esta supoEi~io,o eusto das perdas nohipolo tot Byaltado por:

.. 3kecp + 8766 Ec ~f)L~ 10

CJC ~ 0 valor presente das perdas na linha,durante a vida util da 1T (~S$Jkm)

e 0 fator para avaliar 0 valor presente de N parcelas ,como definido anteri~rmente

e 0 custo anual de uma usina equivalente para supriL asperdas, US$jkW

-e a perda na linha por unidade de eomprimento para opa-ra~ao bipolar (kWjkm):

58,141n S

c

rea resistencia do bundle por unidade de compri~ento(~/km), usando condutores ACSR

n, Se' Ud como ja definido

Pd e-a potencia CC bipolar (MW)

51,9n Sc

Custo das perdas nos equipamentos das esta~oes conve=soras--Supo-se que as perdas nos equipamentos sejam fun~ao da po::encia atransmitir e que nao dependem da tensao CC. Considerando este .alor como 1% em cada esta~ao da potincia transmitida, a seguin::eformula foi aplicada:

-Ceo cu s t0 dasp er da s nos e q-u ipam en t0 s da s est a t; 0 e seD n-csL versoras (US$} referido a junho)82

Cp' Ec' tf e k sao parametros como definidos

Considerando os ~esmos valores adotados nos itens anteriorespara estes parimetros, results:

CcsL = 35733 Pd

o custo total do sistema de transmissao CC, CTOT, foi obtidoa partir de:

CTOT = k2 Ccs + Ckl CTL + CcL+ CJC) L + CcsL

C cs' CTL 'CJ C 'C cL e C csL sa 0 ex pre ss0 s pel a s equa c;a e s (8), (9),(2). (14) e (6) como estabelecido anteriorrnente

-~s fatores kl e k2 representam as Juras d~rante a construc;aodas I1nhas e das estac;oes conversoras, respect1vament~ (estes fa-tares 'forarn determinados neste estudo como kl = 1,1 e k2 = 1.2 ,assurnindo-se sornente urn pagarnento no rneio do periodo, e periodosde 2 anos para a constru~ao da linha, 4 anos para a construc;ao d~estac;oes e urna taxa anual de 10%).

a, b. c, d sao fun~ao de n. e obtidos a partir das equ~-<,;oes (9). (12) e (14), ao passo que e, f, g saovalores ~ixos conforrne equa<;ao (8) e (16):

a 3078.9 n - 36925 e (2359)103

b 206,73 5,85n f (2.96)103c 37,56 n - 40.26 g 35733d (51.9) 106Jn

Derivando-se (18) com relac;ao a Sc e igualando-se a expres -- : ~ zero, obtern-se 0 valor de Sc So' So correspondente ao rni-- ~2 =un~ao aci3a:

Deve-se notar que 5 pode ser nuito pequeno para menores va-lores de !d ~ssoci~dos aDa!to~ ~~lore~ ~e ~d' Esta solu~~o podelevar a nrve~s de ~nterferenc~a ~nace~tave~s. Grandes valores dePd a!sociados a pequenoa ~alores d~ Ud e n, podem resultar emsec~oes condutoras nuito grandes. Nos resultados finais foramfeitas considera~~es especiais a estes aspectos.

'Substituindo So na Bqua~ao (18), obtem-se 0 valor minimocusto total:

Derivando-se (20)obtem-se 0 v~lor de Udma de opera~ao:

em rela~io a Ud e igualando-se a zero ,U t' U t correspondente a tens~o oti-op op

Uopt2kdL Pd 1/2

(-----)bL + pO•57

d~

~

~

~

~

~

~-"":i.'

.~

~

~

~

~

~

~

Nota-se que, na pratica a tensao otima e secc;ao condutora oti-ma calculados a partir das equa~oes (19) e (21) devem ser verifi-cados com respeito as dimensoes praticas do condutor e efeito corona.

Portanto, as seguintes considerac;oes foram feitas duranteestudo:

- As soluc;~es foram truncadas para condutores ma~ores que2500 kcmi1 e menores que 700 kemil, os quais foram assumi-dos nao serem praticos para uso em 1inhas de transmissao .

- Realmente, uma ava1ia~ao do efeito corona como ruido audi-vel e radio e TV interferencia deve ser realizado e se afaixa de passagem resultar muito grande, podem ser tomadasmedidas tais como aumento do espac;amento polar ou, se ne-cessario, aumento da seec;ao eondutora. Uma analise comple-ta deste fenomeno e muito extensa e foi considerada forado escopo do estudo. Apesar disso, com a finalidade de in-diear as configurac;oes de condutores para os quais s~o esperadas que ocorra 0 fenomemo de corona com alta intensidade, considerou-se urn criterio simples de analise baseadona comparac;ao entre 0 gradiente maximo superficial nos condutores (Gmax) na tensao de opera~ao, e 0 gradiente criti=co Go. Este criterio foi:

Sendo que os gradientes foram calculados por me~o de formu -las conhecidas, descritas nas referencias 5 e 6.

A figura 14 mostra a tensao otima de operac;ao como func;ao dapotencia a ser transmitida, comprimento da linha de transmissao enumero de sUbcondutores, pOI polo, calculada usando a equac;ao(19).As curvas foram truncadas com respeito as dimensoes praticas dos

condutores. A ava1ia~ao simples do efeito corona indicou que a1gumas providencias, tais como aumento das Jimensoes cia torre ou dabito1a dos condutores, podem ser necess.arias quando 0 comprimentoda 1inha e superior a 1200 km.

Deve-se notar que para estes casas podem ser encontradas1u~~es com tens~es abaixo da ~tima e com Um pequeno aumentocusto, as quais satisfazem a criteria de corona adotado.

sa-na

Figura 14 - Tensao de Opera~ao sugerida em Fun~aoda Potencia transmitida, Distancias eNumero de Sub-Condutores por Polo

NOTA: QUAlQUER SOIJ1~AO NA AREAHACHURADA NAO OBEDECE 0CRITERIO CORONA

<{

:::iEi='0 1000o

l<{(/)

ZWI- 900

A figura 14 aeima ineorpora tais solu~~es, as quais foram determinadas de acordo com 0 procedimento descrito a 6~guir, com referancia a figura 15.

A figura 15 apresenta as seguintes Gurvas: limite do criterio de corona (0 erit~rio e satisfeito para pontos acima e i esque~da destas curvas); sec~ao otima (So) em fun~ao da potencia atransmitir; sec~ao ~tima em fun~ao do comprimento cia linha; e cur

Considera~aD do Efeito Corona.E:xemplo Ilustrativo (7000 MW,1600 Ian)

CURVAS DA SECyAO

ECONOMICA EM

FUNCAO DE Pd

= 2600Eu

.;,(.

a::~ 2200::loZooI

lD::l(f) 1800oo

o~<t0-oW(f) 1400

CURVAS L1MITES 00CRITERIO CORONA

600400

tJ.= AUMENTO DE CUSTO EMRELAl;AO NJ PONTO ( A)

600 800

~

~

~

~

~

~-i'

~

~~

~ ..

Destas curvas ve-se claramente que acima de urn determinadocomprimento de linha, a solu~ao mais economica nao satisfaz 0 criterio de corona. Considere, por exemplo, uma linha de 1600 km ecom 7000 MW de potencia a transmitir. As solu~oes otimas para n =4, 6 e 8, associadas a urn aumento de custo, sao dadas respectiva-mente pelos pontos denotados por A, Al e Air . Desses tres, somen-te A" (n = 8) satisfaz 0 criterio-decorona. Entretanto, e possi-vel~eterminar solu~oes alternativas, por exemplo com n = 4 asquais superam 0 problema e resultam em custos menores que A" ouAl Tres solu<;oes possiveis, cada uma delas resultando em-dif-e-rentes aumentos de custo emrela~ao ao cia sulu9ao otima !2. ' foramconsideradas e sao apresentadas na figura 15 pel os pontos B, C eD. Desses, D e a mais economica, sendo somente por volta ~e U,S %mais cara que A . Portanto, 0 procedi~ento considerado para estadetermina<;ao, Isto e, movendo-se do ponto A ao longo da curva desec<;ao otima para detrminar 0 ponto n na curva do criterio de co-

Uma importante caracteristica ~ seT assinalada em rela~ao astodas as solu<;oes, possiveis e que a tensao othna resultante e 111enor que aquela determinada pela equa<;ao (19), indicando uma satu=ra~ao na tensao para maiores dist~ncias e potencias a transmitir.Dutra importante caracteristica e que pa-ra toaos os componentes delinha para os quais a sec<;ao condutora calculada pela equa~ao(21)leva a solu~oes inaceitaveis do ponto de vista do corona, a me-lhor soluc;ao sempre resulta no ponto D (n = 4) ou D' (n = 6, seD resulta numa sec~ao maior que 2500 kcmil). Isto significa quea partir de um determinado comprimento de linha, a tensao otimalimitada pelo criterio de corona parece nao depender do comprimento de linha. -

Foi realizada uma analise de sensibilidade da tensao otimaconsiderando um aumento de 20% nos seguintes parametros, um de cada vez:

Os calculos foram feitos com base na equac;ao (21), paradistancia de transmissao de 1200 km e 4 condutores por polo,escolhido como base para comparac;ao.

umacaso

Os resultados, de cada analise, para a condic;ao dea transmitir, igual a 4000 MW, sao mostrados abaixo:

Caso baseCond. ICondo 2Cond. 3

810830835765

Como mencionado, os resultados da determinac;ao das caracte---risticas dos principais equipamentos das estac;oes conversoras faram usados para preparac;ao de mini-especificac;oes para os mesmos.Tais especifica~oes simplicadas cobriram transformadores conversores,para-raios, valvulas a tiristares, reatores de alisamento,filtro CC e disjuntor de Ifby-passlf foram anexadas aos questionarios-para servir de orienta~ao as respostas dos fabricantes e para co-letar informa~oes sobre peso, dimensoes e custos dos equipamentos.

Estas informac;oes foram entao usadas para a estimativa dasdimensoes das esta<;oes conversoras e a analise econ9mica da trans-missao CC.

Em consonancia cam 0 exposto acima, as conclusoes cia analisepodem tambem ser divididas em dais grandes blacos: as relaciona -

das com equipamentos e advindas da etapa inicial da analise eaquelas relativ8s is dimen&~es ~as esta~Ees e a anilise economica.

As principais conclus~es que se seguem podem serda analise das caracterIaticas dos eq~ipamentos:

As potencias nominais muito altas dos transformadores associadas principalmente as tens~es nais elevadas, apresentamdificuldades potenciais com respeito ao peso, dimensoes eref rig er a c;a 0 •

Os nlveis de isolamento muito altos associados principal -mente ~s tensoes mais elevadas, deverao causar problemaspara equipamentos como transformadores conversores, reato-res de alisamento, buchas, isoladores e chaves. Para umsistema de ~ 1200 kV um BSL de 2550 a 2700 kV e um BIL decerca de 3350 kV sao necessarios se as atuais margens deseguran~a tiverem que ser obedecidas.

As solicitac;oes de energia nas pontes, de tensao mais ele-vada exigem para-raios com grande numero de colunas em p~ralelo.

A capacitancia do fil!ro CC apresentou uma varla9ao peque-na e suave com a tensao, indicando a inexistencia de pro-blemas especificos relativamente ~ eleva9ao da tensao CCVerificou-se, no entanto, que alguns parametros do sistemapodem impor um aumento na capacitancia do filtro, 0 que Ievaria a maiores solicitac;oes de energia nos par-a-raios.

~~

.~

~

~

Nao se visualizou nenhum problema especial no que concerneao disjuntor de contorno ("by-pass") tomado como represen-tativo dos equipamentos de manobra em geral.

Deve-se comentar que a situa~ao do projeto quando estas con-clusoes foram obtidas permitiu que elas fossem tidas como indica-90es de provaveis problemas criticos. Estas indicac;oes foram de-pois discutidas em detalhe e confirmadas nas reunioes com os fabricantes.

Quanto a etapa final da analise, as seguintes conclus~es principais se aplicam:

A avalia9ao das dimensoes das esta90es conversoras,derando uma extrapola9ao da tecnologia atual, levousultados bastante exagerados, principalmente parasoes de 1000 e 1200 kV.

consi-a 'reas ten

Os calculos economicos, que estao resumidos na figura 14(mostrando as tensoes de opera9ao como fun9ao de potenciaa transmitir, comprimento da 1inha e numero de subconduto-res por polo), indicam que, aparentemente ha pouca vanta-gens em se uti1izarem tensao de ~ 1000 kV e acima.

AS autores agradecem ao EPRI e ao CEPEL pela oportunidade dedesenvolverem este trabalho e tambem a A.Vian, N.Franco, P.A.Pegado, D.O.C.Brasil, L.C.Zanetta, J.Labronici, J.R.Medeiros, H.p.Pe~reira, J.M.Martins Neto, W.Sato, N.Kaba Filho e C.A.O.Peixoto, pela sua contribui~ao ao projeto. -

JARDINI,J.A., LINEU B.REIS, CAMPOS BARROS,J.G., FRONTIN,S.~,(1984)lfHVDC transmission for voltages above 600 kV; evaluation ofDC system and converter station requirements and overallsystem economics. Part 1: Characteristics of the converterstation major equipment".

JARDINI.J.A., LINEU B.REIS, CAMPOS BARROS.J.G., FRONTIN,S.~,(1984)lfHVDC transmission for voltages above 600 kV; evaluation ofDC system and converter station requirements and overallsystem economics. Part 2: Converter station dimensions andDC transmission economics".

KIMBARK,E.W., (1971), Direct Current Transmission, Volume I, B.P.A., Portland, Oregon.

UHLMAN,E., (1975), Power Transmission by Direct Current,Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, N.Y.

BUENO GUIMARAES,E., JARDINI,J.A., ACACIO WEY, EKSTROM;A.,JARVI, (1981), "Insulation Coordination and Arrestertions of Itaipu HVDC Stations", CIGRE Conference.

BO pit!-Protec

ARNE JOHANSSON, (1981), "Insulation Coordination of the ItaipuStation, Arrester Requirements and Testing", CIGRE conferen-ce, Rio de Janeiro, Brazil.

PEIXOTO,C.A.O., FRONTIN,S.O., JARDINI,J.A:, (1980), " EngineeringStudies for Itaipu Converter Station Design", IEEE, London.

EKSTROM,A., THANAWALA.L., POVH,D., BUENO GUIMARAES,E., SADEK,K.BREUER,G.D., HARRISON,R.E., CSUROS,L., "Application Guide forInsulation Coordination and Arrester Protection of HVDC Con-verter Stations", CIGRE, W-G 33-05.

GUARINI,A.P., CAMPOS BARROS,J.G., (1981), "Modelling of Unbalances in HVDC Convertors Normal Operation", CIGRE Study Committe, SC-14, Rio de Janeiro, Brazil.

PARIS, LUIGI, TASCHINI,A., SCHENEIDER,K.H., WECK,K.H., "Phase toGround and Phase to Phase Air Clearances in Substations",pg.29, Electra n929.

Report from IEEE Working Group, (1979), "Insulation CoordinationDesigns of HVDC Converter Installations", IEEE, pg.l76lj197~Vol.PAS 98.

MILLER,H.G., "Insulation Characteristics of Substations withNominal Voltage up to 765 kV", Electra n9 39.

Boneville Power Administration, Transmission Line Reference BookHVDC to ± 600 kV,(1975)~ EPRI, Palo Alto, California,RPl04.

-,,-~

~~~,~

.~

·"3~~

.~~

.~

~:~~

.~

~.~

:??~

~

~

~

~

?.~

::?~

TIKHOD AYE V ~N .I ,eta 11, (l976), II Se1ection 0 f Con du ctor sand The irConfigurations of Direct Current Lines with Allowance forCorona Lossed, Radio Interference: Methods of their Measu-rement", US/USSR Symposium, Lenigrad.

CHARTIER,V .L., STEARNS,R.D., (1981), "Formulas for Predicting Audible Noise from Overhe<ld High Voltage AC and DC Lines"IEEE on PAS, Vo1.PAS-lOO, no.l •

MARUVADA,S.P., GIAO TRINH,N., DALLAIRE,R.D., RIVEST,N.,"Corona Studies for Bipolar HVDC Transmission atBetween ±600 kV and ±1200 kV". Part 1: "Long-TermLine Studies", IEEE on PAS, Vol.PAS-lOO, no.3

(1981) ,Voltages

Bipolar

MARUVADA,S.P., DALLAIRE,R.D., HEROUX,P., RIVEST,N., (1981), "Co-rona Studies for Bipolar HVDC Transmission at Voltages Bet-ween ±600 kV and ±1200 kV". Part 2: "Special Bipolar Line,Bipolar Cage and Bus Studies", IEEE on PAS, Vol.PAS-lOO, n93 ,

PEIXOTO,C.A.O., PORTELA,C., LOBLEY,D.J., JARDINI,J.A., (1981)"Design Optimization and Environmental Impact Studies forthe Itaipu ± 600 kV HVDC Lines and Electrode Lip.es", CIGRE,paper 232-07.